Принципы реализации интерфейса

В совокупности соединительных линий интерфейса можно условно выделить две группы:

- информационный канал;

- магистраль управления информационным каналом.

Основные функции интерфейса:

- арбитраж информационного канала;

- синхронизация обмена информацией;

- обмен и преобразование формы представления информации;

- буферное хранение информации (буферирование может быть, а может и не быть).

4.4.1 Арбитраж информационного канала

Арбитраж (селекция) информационного канала обеспечивает выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы посредством приоритетного разрешения внутриорганизационных конфликтов.

Виды арбитража:

– централизованный;

– децентрализованный.

Синхронизация обмена информацией может быть двух видов:

- синхронный обмен;

- асинхронный обмен.

Синхронный обмен используется для обмена данными между устройствами, имеющими равные скоростные характеристики (“источник” не волнует, получил ли «приемник” информацию после того, как “источник” ее передал.)

При асинхронном обмене приемное устройство запрашивает данные по одной линии (Запрос данных - ЗпД) и извещается о наличии данных со стороны передающего устройства по другой линии (Строб). Таким образом, реализация асинхронного обмена основана на принципе обратной связи, которая может быть однопроводной и двухпроводной.

Для реализации синхронного режима передачи при последовательном интерфейсе передатчик ПРД в начале сообщения передаст заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN. Переход линии интерфейса из состояния "0" в состояние "1" используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике. Приемник ПРМ распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает очередной символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс показан на рисунке 4.3.

Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые обладают высокой стабильностью частоты. При нарушении синхронизации передатчик должен вставить в последовательность передаваемых байт сообщения дополнительные символы SYN. Если при последовательной передачи используется дополнительные линии интерфейса, то синхронная передача передатчика и приемника поддерживается сигналами синхронизации, передаваемыми по линиям управления от передатчика к приемнику.

Рисунок 4.3 – Синхронный режим передачи

Аналогично с помощью сигнала синхронизации реализуется синхронная передача в параллельном интерфейсе. В качестве сигнала синхронизации используется стробирующий сигнал. Очередной блок информации передается только после того, как предыдущий блок принят, зафиксирован и распознан в приемнике, т.е. по прошествии определенного временного интервала. Если передача сообщений через интерфейс производится между передатчиком ПРД и одним из нескольких приемников ПРМ, то интервал синхронизации устанавливается в расчете на наиболее медленный приемник.

Передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передачи каждого блока информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт "обрамляется" стартовыми и стоповыми сигналами, как показано на рисунке 4.4.

S - Стартовые биты

Strop.bit - Строповые биты

Рисунок 4.4 – Асинхронный режим передачи

Стартовый сигнал изменяет состояние линии интерфейса и служит для запуска генератора приемнике, стоповой сигнал переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале одного байта.

4.4.2 Организация линий интерфейса

Соединение между собой нескольких устройств выполняется посредством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двух точечная система) или общий для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени. Во втором случае для предотвращения конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких устройств одновременно использовать общую среду, выделяют схему управления интерфейсом (арбитр).

В общем случае могут быть реализованы следующие виды обмена:

- передача от одного устройства только одному другому;

- от одного устройства всем другим (трансляционный обмен);

- от одного устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (групповой обмен).

Организация интерфейса должна предоставлять возможность устройству:

- занимать общую среду интерфейса на время передачи сообщения (процесс предоставления среды интерфейса одному устройству называется арбитражем и выполняется схемами арбитра);

- обращаться к другому устройству по его адресу (этот процесс называют адресацией);

- идентифицировать устройство, инициирующее обмен (этот процесс неразрывно связан с процедурой арбитража и его основной является последовательный опрос устройств).

4.4.3 Радиальный интерфейс

Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством индивидуальных линий, принадлежащих каждому из них (рисунок 4.5). Управление интерфейсом находится в устройстве Уц. При необходимости передать или получить блок информации от Уi по инициативе центрального устройства, на регистр РгА заноситься в адрес устройства Уi и в соответствии с ним переключатель соединяет линии Лц с линиями Лi. При этом, устройства Лц и Уi соединяются между собой, а все остальные устройства отключаются и в обмене участия не принимают.

Рисунок 4.5 – Схема радиального интерфейса

Если инициатива обмена исходит от периферийного устройства Уi, то оно передает сигнал по своей линии запроса, который поступает в i-й разряд регистра запроса РгЗ. Как только Уц освобождается от предыдущего обмена, его устройство управления (УУ) интерфейсом последовательно опрашивает разряды регистра РгЗ и посредством переключателя К соединяет линии Лц с соответствующими линями Лi устройства Уi. Порядок опроса разрядов РгЗ определяет приоритет обслуживания устройств Уi.

4.4.4 Магистральный интерфейс

Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством единой магистрали, используемой на основе разделе-ния времени (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 - Схема магистрального интерфейса

Сигнал на любой линии магистрали физически доступен каждому устройству, поэтому для организации обмена между устройством Уц и одним из подчиненных устройств необходимо логически отключить все остальные. Всем устройствам Уi, подключенным к магистрали, присвоены адреса (номера), которые фиксируются в виде своего адреса на специальных регистрах, размещенных на всех Уi. Адреса устройств одной магистрали не повторяются, запись адреса в регистр устройства производится в ручную при подключении его к магистрали.

Если обмен производится по инициативе Уц, то оно производит цикл адресации, заключающийся в передаче адреса запрашиваемого устройства по магистрали. Адрес поступает во все устройства Уi, где производится сравнение переданного адреса с собственным адресом. Совпадение собственного и запрашиваемого адреса произойдет в одном устройстве. При этом устройство Уi устанавливает сигнал готовности к приему информации от Уц или запрашиваемую информацию для Уц на линии магистрали.

Если обмен в интерфейсе производится по инициативе подчиненного устройства Уi, то вначале исключается возможность использования магистрали любым другим устройством. С этой целью в магистрали предусматривают специальную линию запросов (линия ТРБ), на которую любое устройство Уi независимо от других может выставлять сигнал запроса (или требования ТРБ). Сигнал запроса означает для Уц, что на магистрали имеется одно или несколько устройств Уi, запрашиваемых обмен. Обнаружив сигнал запроса (эту функцию выполняет схема анализа ТРБ), устройство Уц должно дать разрешение на занятие магистрали только одному из запрашивающих устройств Уi для выполнения передачи данных. Для этого проводится опрос устройств Уi, т.е. устройство Уц последовательно осуществляет адресацию всех Уi до тех пор, пока не получит подтверждения запроса. Подтверждение запроса может быть передано любым способом, например по информационной шине, так как в процессе опроса при последовательном переборе адресов каждое из устройств Уi получает разрешение на занятие магистрали. Так, при совпадении собственного и запрашиваемого адресов устройство Уi может выставить на информационную шину свой адрес, подтвердив совпадение, или какой либо код, означающий несовпадение; кроме того, может быть выделена специальная линия для передачи сигналов подтверждения. Устройство Уц, получив подтверждение от Уi, прекращает дальнейшее формирование адресов, т.е. приостанавливает опрос, а устройство Уi, которое в процессе опроса опознало свой адрес и подтвердило совпадение адресов, логически подключается к магистрали для передачи данных.

При магистральном способе подключения управление интерфейсом распределено между центральным устройством Уц, которое содержит схему анализа запросов и средства формирования последовательностей адресов, и подчиненными У1, ... Уn устройствами, которые содержат регистр собственного адреса, схему совпадения адресов и схему запроса обмена.

4.4.5 Цепочный интерфейс

При цепочном интерфейсе подчиненные устройства Уц,..., Уn подключается к центральному последовательно, образуя цепочку (рисунок 4.7). В такой цепочке всем устройствам У1,...,Уn присваиваются неповторяющиеся адреса.

Рисунок 4.7 – Схема цепочного интерфейса

Если обмен инициируется устройством Уц, адрес запрашиваемого устройства (Уi) передается на линии Л1 и попадает в устройство У1. Запрашиваемый адрес в устройстве У1 сравнивается с собственным адресом У1. Если адреса не совпали, то коммутатор К соединяет линии Л1 с линиями Л2. Таким образом адрес запрашиваемого устройства попадает в У2 и процедура повторяется. Если значения адресов совпали, то коммутатор К остается в разомкнутом состоянии, а устройство, опознавшее свой адрес, логически подключается к Уц. При цепочной схеме подключения устройств процедура адресации выполняется последовательно.

Пусть обмен инициируется одним из устройств У1,...,Уn, например, У2. При этом устройство отключает посредством коммутатора К все устройства более низкого приоритета (У3,...,Уn), т.е.размыкает линии Л3. Затем устройство У2 передает свой адрес по линии Л2. Этот адрес либо передается устройством У1 на линии Л1, если У1 не ведет обмена, для чего коммутатор К в У1 подключает линии Л2 к линиям Л1, либо блокируется, если устройство У1т ведет обмен с Уц. Процедура опроса не требует последовательного перебора адресов У1,...,Уn, что значительно ее ускоряет.

4.4.6 Комбинированные интерфейсы

В комбинированных интерфейсах используется магистральный принцип параллельной передачи информации, а для ускорения идентификации устройств используются управляющие линии, соединяющие устройства по радиальному (магистрально-радиальный интерфейс) или цепочному (магистрально-цепочный интерфейс) принципу.

Рисунок 4.8 – Схема магистрально-цепочного интерфейса

Магистрально-цепочная структура является наиболее распространенной в аппаратных интерфейсах СВВ. Все виды информации передаются по общей магистрали, адресация выполнятся так же, как и в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации предусматривается линия управления, соединяющая устройства У1,...,Уn по цепочному принципу (рисунок 5.11). Магистрально-цепочная структура позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между фиксированными и произвольно выбираемым устройством либо между двумя произвольными устройствами.

Устройство, запрашивающее обмен, называют ведущим (или задатчиком ЗДТ), а второе устройство, участвующее в обмене,- ведомым (или исполнителем ИСП). Разрешение конфликтов выполняет арбитр (АРБ). Схема арбитра может быть сосредоточенной и распределенной. В первом случае цепочная линия интерфейса служит для передачи сигнала разрешения (выборки ВБР) от арбитра всем устройствам, которые могут инициировать обмен. Для согласования работы арбитра и устройств предусматривается линии запроса (ТРБ) и указания занятости магистрали (ЗАН).

Если инициируется обмен со стороны устройств У1,...,Уn, то каждое из них может выставлять сигнал запроса на линию ТРБ. Получив этот сигнал, устройство Уц с целью селекции запрашивающего устройства начинает процедуру опроса, т.е.выдает сигнал на линию ТРБ. Сигнал ТРБ поступает на устройства У1. В случае, если обмен инициирован устройством У1, т.е. сигнал ТРБ сформирован в У1, линии магистрали посредством коммутатора К подключается к У1, устройство формирует сигнал ЗАН, а сигнал ТРБ на следующее устройство У2 не передает. Если сигнал ТРБ был сформирован каким-либо другим устройством, то устройство У1 передает сигнал ТРБ по цепочной линии на устройство У2, где производится такой же анализ. Таким образом, последовательный анализ наличия запроса на обмен в каждом из устройств У1,...,Уn позволяет выделить одно из них, обладающее наибольшим приоритетом среди всех устройств, инициирующих обмен. Для своей идентификации устройство Уi в начале сообщения передает свой адрес.